工业物联网:未来制造业生态入场券
2017-04-23 17:46:19
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来源: 信息化协同创新专委会

工业物联网极具发展空间,通用电气、菲尼克斯、西门子,甚至亚马逊都建立了基于工业云平台的前沿应用。而设备功能的抉择、供应链问题、安全防护、弥合分歧成为了产业发展中的关键挑战。中国企业则应当更多地基于物联、务联与互联三方面,思考创新及可持续发展的问题。

360董事长周鸿祎在“2016中国企业家领袖年会”上发表演讲称:“下一个风口——我觉得物联网的未来是整个工业互联网,或者产业互联网,这可能是另外一个真正巨大的蓝海市场。”

随着互联网和计算机技术的高度发展,信息化与工业系统深度融合,由此引发了生产力、生产关系、生产技术、商业模式以及创新模式等方面的深刻变革,使整个工业系统迈向全面智能化。业界称之为“第四次工业革命”。为了赶上工业革命的浪潮,成为第四次工业革命的领头羊,各国纷纷提出了相关战略。

德国于2013年在汉诺威工业博览会上提出“工业4.0”的概念,预计投资2亿欧元,推动以信息物理系统(CPS)为基础,以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的工业革命。

工业互联网最早由通用电气(GE)于2012年提出,其目的是通过设备、传感器、互联网、大数据收集与分析技术等,大幅提升企业的生产效率并创造新的产业。2014年3月,由GE联合AT&T、思科、IBM和英特尔,发起成立美国工业互联网联盟(IIC),成为推动工业互联网标准化的重要平台。

2015年5月,《中国制造2025》部署全面推进实施制造强国战略,其核心为通过信息化和工业化两化深度融合来引领和带动整个制造业的发展,并率先进行重点领域和重点工程建设。

无论是德国的工业4.0、美国的工业互联网,还是中国的《中国制造2025》,这些体系都是基于CPS的,也就是基于虚拟世界跟物理世界的全新制造体系,包含了数据采集(传感)、工业云、协同和大数据等技术的全面使用。

工业物联网极具发展空间

所谓工业物联网,就是数字技术和大型机器的融合。工业物联网充分融合传感器、计算机网络、大数据分析处理等现代化技术,以低成本、低投资及高度适用性等优势,实现对工业生产流程的“泛在感知”,以更便捷、更高效的方式获取传统工业生产线上难以获取的重要过程参数,优化生产管理,提高生产效率。工业物联网既不能创造数据,也不能改变传统工艺生产制造环境下配置仪表的方式。

和物联网相比,工业物联网主要强调在生产和服务方面的应用,工业物联网往往涉及更高价值的设备和资产,如能源、运输、工业控制,同时对运行安全有更高的要求。而普通物联网更多关注消费领域,如家居方面的应用。另外,工业物联网建立在工业基础设施上,用于提升而非替代原有的工业生产设备和设施。总的来说,工业物联网是物联网的子集,集中在生产力方面的应用。

关于工业物联网(Industrial Internet of Things,IIoT)的理解,ISA100和ISA108委员会的联合主席Herman Storey认为,最重要的是,工业物联网提供了基础设施——使得更多的通信和连接成为可能,并为之提供有力的支持。

虽然转向应用工业物联网是大势所趋,但是工厂的本质并不会因此而发生变化。所有现存的控制系统功能,都将继续发挥其作用,只是增加了新的基础设施而已。利用现有的应用,现有功能仍然可以提供很好的服务。我们仍然需要测量和控制流量、液位、压力和温度,仍然需要使用现有用户接口,来执行组态或对这些功能进行故障诊断。如果没有现场控制系统,运营炼油厂或化工厂所必须的那种安全、高效的实时控制,基本上不可能实现,所以这类系统的运行并不会转移到云端。

根据Accenture的研究报告,全球工业物联网市场规模在2012年即达到200亿美元,预计在2020年将超过5000亿美元,近年将高速增长。同时,基于目前的投入水平,到2030年,预计工业物联网为世界经济带来的收益至少在10万亿美元;而基于持续增加的投入估计,到2030年,工业物联网带来的收益可达到14万亿美元。我国工业物联网规模同样庞大,根据Accenture的预测,未来15年中国将在工业物联网领域受益约1.8万亿美元,体量巨大,极具发展空间。

我国工业物联网的产业链运营主体主要包括设备制造商(如传感器、RFID、芯片等)、系统集成商(致力于解决各类设备、子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等,与子系统、使用环境、施工配合、组织管理和人员配备相关的集成)、网络运营商(提供数据传输,是物联网网络层的主体,是连接传感数据和终端应用的中间环节)、平台供应商(为物联网应用提供支撑:能够为设备制造商提供终端监控和故障定位服务,为系统集成商提供代计费和客户服务,为终端用户提供可靠全面的服务,为应用开发者提供统一、方便、廉价的开发工具等)。

目前,我国工业物联网处于产业链形成初期,产业利润的主要获取者为设备制造商和系统集成商。随着产业不断发展成熟,市场对于服务的需求将越来越强烈,网络运营商和平台供应商的利润将迎来快速上升,并将成为产业利润的主要获取者。随着《中国制造2025》的实施,未来十年,我国制造业整体信息化水平将大幅提升,制造业数字化、网络化、智能化将取得明显进展,数字化研发设计工具、关键工序制造装备数控化将作为工业物联网的基础在企业得到广泛应用。

前沿应用与工业云平台

工业物联网的应用改变了传统工业中被动的信息收集方式,实现自动、准确、及时地收集生产过程参数。

工业物联网在工厂建设中的一个很好案例,是通用电气在纽约北部设立的价值1.7亿美元的现代化工厂。该工厂在2015年开始运营,为手机通信塔等设备生产先进的钠镍电池。工厂布设了10000多个传感器,分布于180000平方英尺厂房,所有传感器都连接到内部高速以太网。传感器监测一切过程,例如:使用哪个批次的原材料、烘烤温度是多少、制造每节电池耗能多少,甚至当地的气压等参数。在生产车间,员工利用平板电脑,即可通过遍布全厂的WiFi节点获得所有数据。

工业物联网在航空业的一个应用前景是飞机维护的库存管理。通过在飞机的关键部件上安装传感器,实时监测飞行过程中零件的工作情况,并与零件制造厂商的信息处理中心联网,可以准确建立零件的工作损耗模型,告诉维护人员,哪个零部件何时需要更换。这将让商用航空公司从目前基于循环周期的维护计划,转到基于实际需求的维护计划。

智能物流仓库是工业物联网的另一个应用热点。仓库管理物联网通过RFID电子标签实现物品的自动识别,利用无线传感器网络对仓储车间进行实时监控,在物品入库、出库、移库、盘点、拣选与分发等环节产生的数据始终由中心数据库记录,并实时交由信息处理中心进行数据分析挖掘,极大地提高了仓库管理的智能化水平。杭州市一些企业,比如阿里巴巴集团早在几年前就全面布局物流体系,针对智能物流体系建设的各个环节也出现了许多企业,各知名投资企业纷纷看好物流项目,越来越多的优秀智能物流项目正等待被挖掘。

作为操作系统,工业云平台成为了智能制造的重要基础,能够通过提供强大的数据传输、存储和处理能力,帮助制造业企业收集和处理大量数据。它能够让企业无需招聘员工、购买昂贵的专业软件和制造设备,只要通过平台终端就能完成产品的设计、工艺、制造、采购、营销等各个环节。各大工业巨头IIoT平台布局如下:

通用电气(GE)

GE在工业物联网领域最大的手笔就是Predix平台,在过去几年间,这家工业企业围绕Predix软件平台,不断为其IIoT构建软件资源。Predix是GE为工业互联网开发的软件平台,有点像电脑里的操作系统,承载着各种工业需要用到的软件,通过接入设备数据把工业设备相连。讲得再通俗点,Predix是一个基于云的系统,利用其运转于全球的装有传感器的机械设备,将这些智能机械设备与Predix平台和复杂分析工具紧密集成,分析工具实时利用GE从全球获取的数据,特别是油气工业,以及包括GE航空在内的先进制造中的机械设备运转。对于纷繁复杂的工业设备和工业数据类型来讲,Predix与其说是通过操作系统来运营工业物联网,不如说是为庞大的数据找到了一种相对标准和统一的呈现形式。

菲尼克斯

菲尼克斯电气在工业物联网领域最创新的产品要数其“ProfiCloud”。在工业4.0的趋势下,越来越多的客户提出了远程控制和通信的需求,甚至希望能将第三方的智能设备和数据集成到PROFINET控制系统中。菲尼克斯电气针对这样的需求开发出了ProfiCloud。ProfiCloud使得用户可以通过“云”来访问PROFINET现场总线系统。分散的网络设备与“云”之间进行数据通信,通过安装在本地PROFINET网络的云耦合器可以访问这些数据。借助云技术,通过PROFINET网络用户可以直接地自动操作各种任务,以最小的工作量和最简易的方式,使远程控制得以实现,也使得更加高效利用位于不同地方的共享资源成为可能。值得一提的是,“ProfiCloud”还获得了2014年赫尔梅兹工业设计大奖(Hermes Award)的提名。

西门子

西门子2015年年底宣布将增加研发投入3亿欧元,搭建跨业务新数字化服务平台Sinalytics,这一平台与Predix非常类似。这个“发明”可不是停留在实验阶段,从交通灯到风机,如今已有30万台设备联网接受西门子远程维护。西班牙的西门子Velaro高速列车,通过Sinalytics进行数据分析和远程维护,达到了接近世界纪录的99.9%的准点率。为了进一步深耕数字化领域,继成功完成内部测试之后,西门子面向市场推出西门子工业云平台“MindSphere”。MindSphere被设计为一个开放的生态系统,工业企业可将其作为数字化服务——譬如预防性维护、能源数据管理以及工厂资源优化的基础。

亚马逊

其实除了GE、西门子这样的工业企业,亚马逊这样的电商也把触手伸向了工业物联网。2015年10月,亚马逊公司旗下的Amazon Web Services(AWS)在AWS re:Invent大会上发布了全新平台AWS IoT,旨在让制造业客户硬件设备能够方便地连接AWS服务,帮助客户在全球范围内存储、处理、分析联网设备生成的数据。设备连接到AWS IoT设备网关,当满足不同条件时,客户即可为它们所采取的行动设定规则,例如:当压力传感器报告异常高的读数或运动探测器被触发时,让设备发送警报。

除此之外,顶级机器人制造商之一KUKA和Infosys宣布计划联手开发支持企业迎接工业4.0的解决方案,合作的目的是开发一个可让客户采集、评估和利用数据以提高自身生产过程的软件平台。KUKA将通过建立工业4.0云平台,扩展设备与云系统之间的连接。国内则有映翰通开发的设备云,还有华源创世开发的Smart-Plant工业智能云平台等。

产业发展中关键挑战

工业物联网不同于消费类应用,其使用环境和支持应用具有特殊性,工业应用往往需要不同的接口和协议,同时还需要高度的安全可靠性。此外,工业市场的发展速度要慢很多,所以物联网技术的改进需要花费较长的时间。那么,在未来一年的行业前景中必须克服哪些挑战呢?

设备功能的抉择

今日,工业物联网遭遇的最根本性的挑战之一,就是制造商和过程控制运营商该如何从各种不同的设备功能集合中进行抉择。机——机互联及通信解决方案层出不穷,因此,在部署工业物联网技术的时候,必须仔细思考几个问题。如,应该采集什么信息?这些信息该怎样储存?怎样最佳地分析这些信息?基于这些分析结果应该产生怎样的决策?

虽然,对经济价值和投资回报率的分析可以辅助公司决策在哪里引入工业物联网,但决定工业物联网功能的挑战却一直延伸到设备制造商头上。现状是,这些设备制造商还处在无法满足工业物联网设备复杂性需求的道路上。不仅仅是工业企业必须审慎考虑部署工业物联网的地方,制造商们也必须清晰定义操作要求和理解他们想要创造的技术能力。这就要求制造商们对工业物联网设备最终服务的实时生产环境有非常深入的了解。

供应链问题

制造商们未来几年需要解决的事绝不仅仅是功能性一项。随着早期采用者争相转向工业物联网,成本和工业可靠性也将起到举足轻重的作用。如今嵌入式系统越来越多地进入企业,维持供应链的完整性便成为了制造商们的责任。特别是在那些应用了工业物联网元素的关键基础设施领域,企业必须考虑如何最大化生产过程的透明度和标准化。他们将需要根据能被独立评估的公认公开标准,来制造设备,以证明自己的设备中只包含了预期的硬件、软件或固件。

安全防护

任何网络通信控制的“物”或设备都面临着被黑的风险,工业物联网设备在网络威胁面前同样无法幸免。“黑色力量”或“震网”之类的侵入工控系统的恶意软件屡见不鲜。为防范这种威胁,企业应当考虑该怎样将先进的网络威胁防护解决方案集成进他们的工业网络中。显然,大家都认同安全是互联网连接工业系统的一个关键问题。戴尔公司是工业互联网联盟的一员,在其IoT战略列表顶部列出的就是安全性问题。大多数IoT框架或协议整合了一种或多种安全功能,如在认证数据或命令时,对通信链路实施加密。

问题是,工业物联网环境可以包含具有不同安全功能和管理方法的多种框架和协议,从而使情况变得复杂并可能出现配置错误,进而产生安全漏洞。这就是为什么对工业物联网应用来说,分层级的安全环境很重要,为什么设计和实现系统时要考虑安全因素。为了保护工业物联网利益,安全问题就不能是亡羊补牢式的方案,它不能仅是利用底层的安全功能,或在出现问题后才增加加密通信等功能。

弥合分歧

无论哪种新技术,技术问题从来都敌不过那些让我们陷入各自为战的分歧。或许最难以征服的挑战就是打破不同专业和部门间的壁垒。已讨论多年的IT(信息技术)/OT(操作技术)融合必须实现。控制工程师必须升级他们的技术,这样他们至少能够理解网络和安全。而IT工程师和架构师则必须理解业务流程和制造过程之间的差别。虽然做到其中任何一步都十分困难,但建立新的合作渠道将在生产力、收益率、客户服务和可持续性层面上让所有企业获益。关键在于企业的管理层,他们必须行动起来指引方向。

IIoT实现的关键挑战听起来似乎令人却步,然而,这些问题的核心还是需要各部门、整个企业以及制造商的通力合作,才能够推动这一技术新趋势的向前发展。

物联、务联与互联

2017年,对于工业物联网中超高效自动化的实现来说,机器间(M2M)接口和人机(HMI)接口将发挥巨大的作用,飞速演化的机器视觉领域和相关的深度学习技术也将成为重要技术。未来行业的发展热点可望聚焦于“智能产业”和“智能城市”两大范畴。其中,智能产业包括农业、电表、灯光、设备安全、工业自动化等各个层面的互联和智能化应用,而在智能城市方面也需要建立并推动能源管理、智能电表、智能照明、公共基础设施和安全等智能化系统。这些应用都处于快速蓬勃的推进和发展中,为整个行业带来了巨大的商机。

此外,中国企业应当更多地基于三方面思考创新及可持续发展的问题:

物联:企业个性化需求和柔性制造的融合。在这里,企业的物联主要包括产品的物联和装备的物联。产品物联是指通过智能感知设备对产品的运行状态进行监测,以更好地实现产品定位、运行状态、故障监测及维修服务等。装备物联是指企业为了实现生产设备的精准调度、精准维护、精准管理及安全生产,对生产设备进行物联网化。

务联:企业的软实力提升。企业物联只是两化融合(信息化和工业化)的基础,物联实现了硬件的物联网化。想要发挥物联网的最大效果,企业还需要提升自身的软实力,这一步骤称之为企业的务联需求。工业物联网时代,智能传感器可以实时地采集生产现场的设备运行数据和生产数据,企业管理者通过平台软件(软实力建设)可以实时了解生产现场和生产设备的情况,工业物联网平台通过大数据挖掘与分析,为管理者提供设备管理决策的依据。

互联:企业上下游的供需匹配协同。企业是生产价值链环节的价值点,为了达成目标,工业企业需要更多更好的原材料、更广的产品销路,因此产生了价值链的联同,即企业上下游的供需匹配和协同的需求,这一需求被称为企业的互联。互联包括买卖、拓展、协同和服务四个方面,买卖互联通过保持买卖数据一致同步实现了企业买卖业务的精准对接;去中介与代理的形式,实现了供需双方的精准匹配,拓展企业网络;按照生产透明模式,供需双方实现作业协同;服务互联则通过设备运维的透明模式,企业可加强产品售后服务或维护服务。

工业物联网风云渐起,站在风口就相当于拥有一张未来制造业生态的入场券。大数据和智能制造给传统工业带来了巨大冲击,强大的工业数据分析服务将成为制造企业数字化战略的重要组成部分,工业物联网将显现出更大的战略价值。

(来源:中国工业评论 作者:王玉峰 日本早稻田大学媒体研究所客座研究员、南京邮电大学教授、博士生导师、江苏省无线通信重点实验室副主任 戴伟 南京邮电大学通信与信息工程学院研究生)

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